Reproduction de : Thèse de doctorat : Électronique : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3880. Résumé. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

La fusion cellulaire est une méthode de génération de cellules hybrides combinant les propriétés spécifiques des cellules mères. Initialement développée pour la production d'anticorps, elle est maintenant aussi investiguée pour l'immunothérapie du cancer. L'électrofusion consiste à produire ces hybrides en utilisant un champ électrique pulsé. Cette technique présente de meilleurs rendements que les fusions chimiques ou virales, sans introduire de contaminant. L'électrofusion est actuellement investiguée en cuve d'électroporation où le champ électrique n'est pas contrôlable avec précision et le placement cellulaire impossible, produisant de faibles rendements binucléaires. Afin d'augmenter le rendement et la qualité de fusion, la capture et l'appariement des cellules s'avèrent alors nécessaires.Notre objectif a été de développer et de réaliser des biopuces intégrant des microélectrodes et des canaux microfluidiques afin de positionner et d'apparier les cellules avant leur électrofusion. Une première structure de piégeage se basant sur des plots isolants et l'utilisation de la diélectrophorèse a été réalisée. Afin d'effectuer des expérimentations sous flux, une méthode de scellement des canaux, biocompatible et étanche a été développée. Puis, le milieu d'expérimentation a été adapté pour l'électrofusion. En confrontant les résultats des expériences biologiques aux simulations numériques, nous avons pu démontrer que l'application d'impulsions électriques induisait la diminution de la conductivité cytoplasmique. Nous avons ensuite validé la structure par l'électrofusion de cellules. Un rendement de 55% avec une durée de fusion membranaire de 6 s a été obtenu. Dans un second temps, nous avons proposé deux microstructures de piégeage pour l'électrofusion haute densité. La première se base sur un piégeage fluidique, alors que la seconde, utilise ladiélectrophorèse sans adressage électrique à l'aide de plots conducteurs. Jusqu'à 75% des cellules fusionnent dans cette dernière structure. Plus de 97% des hybridomes produits sont binucléaires. Le piégeage étant réversible, les hybridomes peuvent ensuite être collectés pour des études ultérieures.

La nanofluidique est l'étude du transport de molécules au travers de nanostructures filtrantes dont la taille avoisine l'épaisseur de la double-couche diffuse à la surface du verre. A cette échelle de la centaine de nanomètres, la charge de surface qui induit une exclusion des ions négatifs à l'extérieur du "nanofiltre" produit un effet de rétention des biomolécules. Des études menées sur le transport électrocinétique au sein d'un nanocanal unique ont permis de montrer qu'il était théoriquement possible de concentrer des solutions, même fortement diluées, avec des taux élevés (jusqu'à 103) grâce à un effet de concentration de polarisation. Ce phénomène pourrait être exploité dans de nombreuses applications de diagnostic médical (analyses rapides et précoces d'échantillons bruts), de contrôle qualité (agroalimentaire) ou encore de défense (suivi continu de zones à risques pour la menace terroriste biologique).La modélisation de la dynamique des phénomènes d'électropréconcentration (sous champ électrique) et de rétention (sous gradient de pression) d'un nanocanal unique s'avère extrêmement ardue. Une multitude d'observations, souvent contradictoires quant au profil de préconcentration obtenu, ont été par ailleurs rapportées dans la littérature, avec des points focaux de préconcentration observés parfois du côté anodique ou du coté cathodique pour une même protéine. Certaines expériences observent ces points focaux soit très loin en amont dans le microcanal réservoir soit directement à proximité de l'entrée du nanocanal. C'est dans ce contexte qu'a été développé précédemment un modèle unidimensionnel permettant de prédire le profil de concentration de l'analyte en tout point de la structure MNM(Micro/Nano/Microcanal) proposée. Ce travail de modélisation a démontré l'existence de quatre régimes distincts: deux régimes coté anodique et deux régimes coté cathodique, plus ou moins éloignés du nanocanal. Ce modèle a mis en avant la sélectivité de ce processus vis-à-vis de la mobilité électrophorétique et de la valence des analytes préconcentrés, et il a permis d'appréhender un peu mieux la diversité des expériences rapportées. Cependant, le régime de préconcentration obtenu dépend du bioanalyte étudié. Il serait pourtant intéressant de ne plus être tributaire des caractéristiques intrinsèques de la solution analysée et de ne plus subir le régime obtenu mais, au contraire, d'effectuer ce que l'on pourrait appeler une électropréconcentration sélective du dit analyte. Ceci pourrait permettre d'effectuer deux étapes primordiales de tout diagnostic que sont la séparation et la préconcentration d'un mélange. Pour se faire, nous avons introduit un paramètre expérimental, une composante hydrodynamique (ou surpression), en sus du champ électrique, pour moduler la localisation de la préconcentration.A l'aide d'une technologie "tout verre" récemment brevetée, nous élaborons aujourd'hui des puces intégrant une nanofente dans un long microcanal. Ces puces sont parfaitement isolantes, biocompatibles et présentent une tenue exceptionnelle au cours du temps. Elles sont combinées à un banc expérimental "fait maison" complètement automatisé (interfacé avec Matlab), qui permet de contrôler les différents paramètres imposés. Les données recueillies sont ensuite prétraitées par d'autres codes Matlab que nous avons développés. Grâce à ces divers outils, de nombreuses expériences d'électropréconcentration "classique" (champ électrique seul) et assistée en pression ont été réalisées pour deux bioanalytes modèles : la fluorescéine et la BSA (Bovin Serum Albumin). Elles ont permis de déterminer les différents paramètres influant sur la préconcentration de ces deux analytes et de prouver la sélectivité et l'efficacité de la méthode proposée ici. Des régimes de préconcentration inattendus, stables et présentant des taux élevés ont en effet été obtenus au cours de cette thèse.

This dissertation presents the design and implementation of a 16-channel sinusoidal generator to stimulate microfluidic devices that use electrokinetic forces to manipulate particles. The generator has both, independent frequency and independent amplitude control for each channel. The stimulation system is based upon a CMOS application specific (ASIC) device developed using 0.35¦Ìm technology. Several generator techniques were compared based on frequency range, total harmonic distortion (THD), and on-chip area. The best alternative for the microfluidic applications is based in a triangle-to-sine converter and presents a frequency range of 8kHz to 21MHz, an output voltage range of 0V to 3.1VPP, and a maximum THD of 5.11%. The fabricated device, has a foot- print of 1560¦Ìm¡Á2030¦Ìm. The amplitude of the outputs is extended using an interface card, achieving voltages of 0V to 15VPP. The generator functionality was tested by performing an experimental set-up with particle trapping. The set-up consisted of a micromachined channel with embedded electrodes configured as two electrical ports located at different positions along the channel. By choosing specific amplitude and frequency values from the generator, different particles suspended in a fluid were simultaneously trapped at different ports. The multichannel stimulator presented here can be used in many microfluidic experiments and devices where particle trapping, separation and characterization is desired.

Cette thèse s'inscrit dans le développement d'un Dispositif Médical d'Injection (DMI) automatisé dans lequel est intégrée une micropompe en technologie silicium. Le cœur de cette micropompe est constitué d'une membrane actionnée permettant de déplacer un volume de liquide à travers des canaux micro-fluidiques. Deux types de membranes actionnées ont été étudiés : une membrane à actionnement bimétallique intégré et une membrane à actionnement piézoélectrique externe. Des simulations FEM ont permis d'affiner les modèles théoriques existants et de mieux rendre compte des effets non linéaires qui régissent le fonctionnement de ces membranes. Une méthode d'optimisation spécialement mise en place a permis de calculer des configurations géométriques optimales en fonction des plages de fonctionnement visées. Des membranes ont ensuite été fabriquées en salle blanche. Leurs caractéristiques mécaniques ont été mesurées et comparées aux prédictions des simulations FEM.

Les propriétés électrocinétiques de cellules ou de complexes colloïde-cellule visant leur manipulation individuelle dans une puce microfluidique devrait permettre de proposer de nouveaux types d'application dans le domaine des laboratoires-sur-puce et de la recherche biomédicale. Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à créer une nouvelle technologie de puce microfluidique permettant la manipulation électrocinétique tridimensionnelle sans contact de particules colloïdales. Cette technologie innovante associée à la réalisation de particules colloïdales multifonctionnelles (Janus) permet d'étudier et de contrôler les interactions d'un complexe colloïde-cellule. Une technologie originale de puce microfluidique tridimensionnelle transparente présentant des niveaux d'électrodes biplanaires est développée sans couche résiduelle classiquement présente dans les technologies de scellement microfluidique. Parallèlement, de nouveaux types de colloïdes anisotropes (Janus) et multifonctionnels (fluorescents, fonctionnalisés avec des protéines...) sont fabriqués en associant la synthèse colloïdale aux techniques de la microélectronique et à la fonctionnalisation de surface. La compréhension et l'exploitation des forces électrocinétiques créées par un champ électrique alternatif et non-uniforme sur la solution colloïdale confinée dans cette puce permettent de proposer une nouvelle méthode de détermination du facteur de Clausius-Mossotti. Ce facteur est un paramètre intrinsèque à la solution colloïdale qui régit la force diélectrophorétique. La détermination expérimentale de ce facteur, combinée à une analyse théorique pour les solutions colloïdales étudiées, définit les paramètres du champ électrique à appliquer (fréquence, tension) pour localiser, séparer ou manipuler en trois dimensions des particules micrométriques de tout type (particules nu, fonctionnalisées, disymétriques...). Le mélange de ces particules dans des milieux de culture cellulaire contenant des cellules de lignées humaines crée des complexes colloïde-cellule. En fonction du type cellulaire, ces complexes se caractérisent par une cellule ayant internalisé des colloïdes ou une cellule décoré par des colloïdes attachés sur sa membrane. Soumis à des forces électrocinétiques déterminées, ces complexes démontrent des réponses duales des particules et des cellules contrôlables indépendamment. En combinant l'ingénierie des particules colloïdales et la technologie microfluidique de manipulation électrocinétique sans contact, des forces locales peuvent être exercées sur les cellules par l'intermédiaire des particules.

La microfluidique est un domaine très vaste qui étudie les comportements de fluides à l'échelle micrométrique. Grâce aux progrès de la microfabrication, elle suscite un nombre croissant d'applications en biologie ou chimie, et même très récemment en optique. En effet, son utilisation pour réaliser des cristaux photoniques est attractive par rapport aux technologies standards : elle permet une fabrication collective avec des interfaces très lisses. Dans cette perspective, cette thèse propose d'utiliser la microfluidique diphasique pour la fabrication de réseaux stables de microbulles, et pour intégrer de façon simple des fonctionnalités optiques réelles. Nous présentons d'abord la formation de réseaux hexagonaux de microbulles monodisperses de période dans la gamme 5-100 µm, contrôlée par la géométrie et les conditions d'écoulement. La qualité de ces cristaux a été révélée par imagerie de diffraction. Un photopolymère, utilisé comme liquide porteur, a permis l'obtention de structures stables sur plusieurs mois. Nous avons développé une technologie verre-verre qui permet la fabrication de canaux adaptés aux applications optiques : transparents, rigides et chimiquement résistants. Pour démontrer les potentialités de nos systèmes, nous avons réalisé des cristaux de bulles incluant des défauts contrôlés (lacune d'une bulle ou d'une ligne de bulles), éléments clés pour la conception de guides d'ondes ou de résonateurs. Nous utilisons des plots qui excluent les bulles de zones choisies, par compétition entre tension interfaciale et forces hydrodynamiques. Nous avons développé et validé expérimentalement un modèle qui prédit l'efficacité de cette méthode. La génération des microbulles sur puce est prometteuse pour la photonique : elle permet l'auto-organisation des structures avec une rugosité extrêmement faible. L'obtention de périodes comparables à la longueur d'onde est encore nécessaire pour la réalisation de fonctions basées sur les cristaux photoniques. Notre app roche doit permettre cette réduction de taille, car les limites de diffraction inhérentes à la photolithographie interviennent seulement pour la fabrication des canaux et non lors de la formation des bulles. Ce travail constitue donc une nouvelle approche, optofluidique, à la réalisation d'un guide d'onde, un filtre ou un résonateur optique.

Le phénomène d'interférométrie par réinjection optique, ou effet self-mixing dans un laser permet de concevoir des capteurs non-invasifs, auto-alignés, ne nécessitant que peu d'éléments optiques et simples à implémenter. Ce type de capteur permet de mesurer avec la précision propre à l'interférométrie laser le déplacement, la vitesse ou la position de cibles dite coopératives (cibles réfléchissantes ou fortement diffusantes). Dans cette étude, ce type de capteurs est appliqué à la mesure de profil d'écoulement des fluides dans des microcanaux. Le faible coût et la polyvalence des capteurs à réinjection optique sont d'un grand intérêt dans l'industrie biomédicale et chimique, ainsi que pour la recherche en mécanique des fluides. Dans un premier temps, et en se basant sur les études réalisées dans des macro-canaux, nous avons proposé un modèle d'interferométrie par réinjection optique dans une diode laser lorsque la cible est constitué de particules en mouvement, en suspension dans un liquide. A partir de ce modèle, nous avons étudié expérimentalement l'impact du volume de mesure ainsi que du type de particules (taille et concentration) sur le signal mesuré. Nous avons ensuite proposé des méthodes de traitement du signal permettant de calculer le calcul du débit du fluide, ainsi que sous certaines conditions identifiées, la vitesse locale en tout point d'un microcanal. Ces études préliminaires nous ont permis de reconstruire le profil d'écoulement de différents liquides dans des canaux de 320µm de diamètre. Enfin, nous avons comparé les performances du capteur développé dans cette thèse avec un capteur basé sur la technique du Dual-Slit, technique déjà validée pour la microfluidique, en mesurant le profil d'écoulement dans un canal à section rectangulaire de 100x20µm.

Ces travaux de thèse, financés par la Région Aquitaine et partie intégrante des projets ASCOBAR et OSQUAR (2007-2009 et 2009-2011), ont été effectués au sein du laboratoire IMS-Bordeaux (Université Bordeaux 1, CNRS, UMR 5218) et sont le fruit de la collaboration de trois laboratoires. Ils ont visé l'étude d'une plateforme à ondes acoustiques transverses horizontales guidées, ou ondes de Love, dédiée à la détection de phycotoxines responsables d'empoisonnement par consommation de chair de coquillage.Cette plateforme intègre une partie microfluidique destinée à assurer un contrôle du flux de l'échantillon d'analyse au voisinage de l'interface sensible, tout en réduisant les volumes utilisés. Des tests de détections ont été réalisés, en collaboration avec le Laboratoire d'Immunologie-Parasitologie de l'Université Bordeaux 2, en équipant le capteur d'un biorécepteur spécifique de type anticorps, commercial pour la détection d'acide okadaïque, ou, pour l'acide domoïque, fabriqué à partir d'un haptène formé avec un mimotope d'une famille de toxines du type amnésiante (ASP) synthétisé par l'Institut des Sciences Moléculaires (Université Bordeaux 1, CNRS UMR 5255).Grâce aux efforts synergiques de ce consortium et à l'élaboration de protocoles de détections spécifiques, les premiers résultats permettent de discriminer un échantillon empoisonné au seuil sanitaire, soit 0,2 ppm pour l'acide okadaïque, 20 ppm pour l'acide domoïque (200 ng d'acide domoïque dans seulement 10 mg de chair de coquillage).

Nous avons développé un système microfluidique où des particules magnétiques entraînées par un flux hydrodynamique restent confinées dynamiquement grâce à un champ magnétique au sein d'une micro-chambre. Ces particules sont employées comme support pour un immuno-dosage. Le projet européen Nadine dans lequel s'inscrit ce travail vise au développement d'un module destiné au diagnostic précoce de la maladie d'Alzheimer à partir du sang. Ce système dense et dynamique évoque un lit fluidisé, et son comportement a été interprété dans cette perspective. Bien que les lits fluidisés gravitationnels aient été largement étudiés à une échelle macroscopique, leurs intégrations en microfluidique demeurent impossible, la force de gravitation n'équilibrant plus les forces hydrodynamiques à cette échelle. Les forces magnétiques offrent l'opportunité d'étendre le principe du lit fluidisé aux systèmes miniaturisés, et à notre connaissance, notre système constitue la première réalisation d'un lit fluidisé stabilisé magnétiquement en microfluidique. Ce nouveau système autorise une forte densité en particules (nécessaire pour une capacité élevée), une agitation hydrodynamique (pour accroître la cinétique de capture et son efficacité) et un flux élevé (permettant la concentration d'analytes très diluées). Ce module a été validé à l'aide d'un immuno-dosage-modèle (IgG/anti-IgG), par l'emploi d'une stratégie de type stop-and-go, qui permet de bénéficier pleinement de la nature dynamique des colonnes magnétiques. Le système permet par ailleurs l'enrichissement continu en analytes du lit de particules, ce qui augmente significativement la sensibilité de détection (LOD ~ 6,5 pM).